這給此類設備的製造商帶來了很多設計上的挑戰：
永無止境的改進和機能擴展所帶來的壓力迫使設計人員尋求將更多功能整合到單一晶片中，以簡化設計。
本文介紹工程師們如何利用MCU來應對打造互動式穿戴式設備時所面臨的各項設計挑戰。
新一代智慧穿戴式設備設計挑戰
市場需要更多功能，而產品的研發週期也被大幅縮短。研發人員還必須能夠適應常態化的設計要求變更。因此，他們必須擁有一個通用平台，能夠提供低功耗、小巧、高速運算、整合類比和數位前端、安全性和隱私性等特性。以下將介紹不同的設計挑戰以及應對它們的方法。圖1顯示了現代穿戴式設備的設計挑戰。
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| 圖1 穿戴式設備設計挑戰 |
「常時連線」應用與功耗影響
連續監測各類感測器是對穿戴式設備提出的一個重要要求，而這又要求處理器處於「常時連線」狀態，以便能夠監測感測器和處理此類訊息。例如，計步器採用運動和壓力感測器，它需要連續計步，並利用無線傳輸上報給一個穿戴式顯示器或手機App。大多數穿戴式設備依賴電池或能量採集器供電，因此，在滿足常時連線要求時，降低這些設備的功耗為工程師帶來挑戰。這意味著，哪怕是將很小的功耗導入到產品中，工程師們也必須格外謹慎。為了緩解這個設計限制，他們需要使用功耗和空間優化型MCU來打造穿戴式或物聯網應用。
提高能效的方式是利用MCU提供的功耗模式以及其在相應模式下調度各個系統事件的能力。可以根據具體應用的主要用例實現最佳功耗。藉由分解成具體任務和電路模組的功耗預算可以解決這個問題。為每一個任務或電路分配功耗預算，在定義所需元件功耗時將獲得更高的靈活性。例如，Cypress(賽普拉斯)PSoC 4 BLE這類的MCU提供多個系統功耗模式，其中包括：工作、睡眠、深度睡眠、休眠和待機模式。藉著在待機模式下僅60nA的電流消耗，可以優化應用的功耗(圖2)。
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| 圖2 不同功耗模式下的功耗分布(以PSoC4 BLE為例) |
類比前端與感測器融合
某種意義上而言，現今穿戴式設備就是一堆感測器外加一個CPU和無線網路。通過感測壓力、運動、位置、觸摸、心率、脈搏率、含氧量、溫度、濕度、日光、電池電壓、聲音、影像、紫外線強度等物理訊號，穿戴式設備通常提供智慧手表、健康檢測器、健身追蹤器等功能。但最終而言，每一個感測器－無論是類比還是數位感測器－都需要一個搭配MCU的前端電路。
類比前端(AFE)是一個訊號調節電路，它使用靈敏的類比電路處理感測器輸出，因為感測器的輸出不能被MCU直接使用。AFE是感測器和處理器之間的介面。一個感測器介面電路需要一個偏置電路、一個放大器、多個對比器、一個數位類比轉換器(DAC)、多個類比多路轉換器、多個參考電壓、一個用於抑制噪音的濾波網路、偏移消除等錯誤抑制技術以及一個用於數位化和處理感測器數據的類比數位轉換器(ADC)。配備一個現有商用傳統微處理器的系統將需要在晶片以外構建上述電路，雖然某些系統將一個功能固定的ADC整合到MCU中。對於那些透過數位訊號提供輸出的數位感測器而言，需要使用一個I2C、UART或SPI通訊連接埠將其輸出訊號傳送到MCU。
以一個活動監測器為例，瞭解一下穿戴式設備系統中的類比前端AFE和數位前端。圖3顯示了一個使用單一SoC的完整活動監測器系統的框圖。在類比側，iDAC用於激勵熱敏電阻感測溫度。電阻兩端代表溫度的壓降透過一個類比多路轉換器連接SAR ADC。ADC將類比電壓轉換為數位訊號，後者可以被CPU處理。參考電壓模組Vref用於生成一個固定的模擬參考電壓，用於精準測量數據。
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| 圖3 活動監測器(PSoC4 BLE) |
此外，一個電容感應混合信號元件用於檢測用戶接近。電容感應技術還能讓工程師利用基於觸摸和近距感應技術的使用者介面替代機械按鈕。環境光線感測器使用運算放大器、參考電壓和一個外置光電二極管實現。光電二極管的反偏電流隨入射光強度變化而變化。差分互阻抗放大器(TIA)將光電二極管電流轉換為電壓。
在數位方面，一個數位加速感測器用於設計一個計步器。計步器用於記錄用戶所走的步數，並計算期間所消耗的卡路里。計步器使用加速計檢測加速度的變化模式，以此檢測步數。使用一個加速感測器和一個高度感測器，系統可以計算出用戶所消耗的卡路里總量。
電路板或系統基板
本質而言，穿戴式設備是小巧、時尚的電子設備，需要高度整合的電子元件，以便占用最小的空間，並仍能提供全部功能。這可能是設計人員面臨的最大瓶頸。
這些因素迫使設計人員盡可能地整合所有功能。PSoC 4 BLE2等MCU的問世讓提升系統的整合度成為可能。例如，SoC可以整合被用作感測器介面的類比前端、ARM CPU等用於感測器融合的計算引擎、晶片內存、低功耗藍牙等無線連接以及電容式觸控功能，而讓產品設計人員能夠為新興物聯網的醫療健康、生物識別、家庭自動化和工業自動化可攜穿戴式應用提供緊湊、小巧的設計。將這些功能整合到單晶片中不僅能夠減少所需的電路板空間，還能降低系統成本和功耗。圖4顯示了單個MCU/SoC中的整合功能。
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| 圖4 MCU/SoC中的功能整合 |
整合各項功能後，下一步是選擇一款能夠在狹小的空間內提供所有功能的MCU/SoC，以滿足設計人員對小巧設計的當前和未來需求。晶圓級晶片尺寸封裝(WLCSP)能夠將大量功能整合到晶片尺寸的空間中，釋放新一代穿戴式設備的潛能(圖5)。
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| 圖5 微型 MCU/SoC |
輕薄的使用者介面
考慮到穿戴式設備的小尺寸特點，讓用戶能夠方便地與其它設備通訊就顯得非常重要。在將穿戴式設備連接到一個延伸設備(如一部智慧手機)，以便使用全功能使用者介面時，通常需要在設備內支援一些使用者介面(UI)選項。穿戴式設備的螢幕可謂小中之最小，這使得實現一個功能豐富的用戶介面極具挑戰性。
其中一個方法是讓用戶能夠設置穿戴式設備的參數。這種方法必需直觀和易用。這可以通過在設備微小的螢幕上使用簡單的手勢實現(圖6)。智慧手勢包括：向左右任意方向滑動、單擊、雙擊、長按等等，可實現與穿戴式設備的簡單、低功耗互動。
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| 圖6 微型螢幕上實現的手勢 |
電容式觸控技術使得在穿戴式設備中實現這些智慧手勢成為可能。電容式觸控既可以由一個獨立的觸控晶片導入，也可以是MCU/SoC的一個內建功能。手勢功能不僅可以簡化UI，而且還能降低功耗，因為設備可以由指定的手勢喚醒。這些進階手勢可提升穿戴式設備的使用體驗，並吸引買家(圖7)。
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| 圖7 喚醒手勢 |
隱私與通訊安全
伴隨穿戴式設備市場的快速成長，低功耗藍牙BLE已成為智慧手表、Beacon、聯網汽車等各類設備的無線標準。為了避免無線鏈路上數據通訊的安全性漏洞，設計人員必需謹慎處理BLE協議。最新版BLE協議提供多種安全和隱私功能，以涵蓋加密、信任、用戶資料的完整性和隱私等內容。例如，BLE鏈路層提供CRC、AES等各種加密演算法，用以實現數據在BLE上的可靠、安全交換。此外，還有一些BLE模組可提供額外的安全和隱私功能，使得BLE技術成為相關應用最主要的無線解決方案。
BLE提供一個名為Security Manager (SM)的專用層，用於定義用戶資料的配對、加密和密鑰分發。這個BLE隱私功能可為連接提供更高的安全性，配對是指實現這些安全功能的過程。在這個過程中，兩個設備得到驗證，鏈路得到加密，然後密鑰得到交換。這能讓使用者透過BLE介面安全地交換數據，不會被無聲的監聽者在RF通道上窺探。綁定是指配對過程中保存安全密鑰和身份資訊的過程。設備被綁定後(密鑰和身份資訊被保存後)，彼此便不再需要通過配對過程重新連接。圖8顯示了BLE協議中的SM層。
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| 圖8 BLE中的Security Manager(SM)層 |
本文中分別探討了穿戴式設備設計的多項挑戰，其中包括「常時連線」應用與功耗影響、類比前端與感測器融合、電路板或系統基板、基於手勢的使用者介面以及隱私與通訊安全。我們將在下篇介紹現場升級能力(OTA)、能量採集、連接(BLE、ZigBee、Wi-Fi)等更多的設計挑戰，以及手腕檢測、電容式觸控感應Bar及按鈕、電容式觸控螢幕、防水設計、段式驅動器等特性。
(本文作者皆任職於賽普拉斯)